Как найти объем одного моля идеального газа

Молярный объем газа

Этот онлайн калькулятор рассчитывает молярный объем идеального газа для разных условий (не-стандартных температуре и давлении)

Данный онлайн калькулятор рассчитывает молярный объем идеального газа в зависимости от условий (разных значений температуры и давления). Формулы и перечисление некоторых часто используемых значений для описания физических условий можно найти под калькулятором.

Молярный объем газа

Калькулятор использует уравнение молярного объема идеального газа:

Уравнение идеального газа является достаточно близкой аппроксимацией для многих реальных газов. Для заданных температуры и давления, молярный объем для всех идеальных газов один и тот же, и известен с точностью совпадающей с точностью универсальной газовой постоянной: R = 0.082 057 338(47) Л атм K−1 моль−1, то есть относительная стандартная неопределенность молярного объема равна 5.7×10−7, в соответствии с рекомендацией CODATA от 2014 1

Так как молярный объем одинаков для всех газов, он может быть вычислен независимо от газа по температуре и давлению (физическим условиям). Например, для стандартных условий по версии НИСТ (стандартной температуре 273.15 K и стандартному давлению 101.325 kPa), молярный объем идеального газа равен 22.413962×10-3 м3 моль-1 со стандартной неопределенностью 0.000013 x 10-3 м3 моль-1 2

Собственно, слова стандартные условия или нормальные условия (что не одно и тоже) для давления и температуры — это отсылка к «справочным», известным значениям температуры и давления, применяющимся для вычисления значений других физических величин, зависящих от давления и температуры.

Для удобства значения молярного объема для некоторых общеупотребимых физических условий приведены в таблице ниже.

Физические условия	Температура	Давление	Молярный объем, литры
Стандартные условия (НИСТ)	0C (273.15K)	101.325кПа (1атм)	22.414
Стандартные условия (ИЮПАК)	0C (273.15K)	100.000кПа (1бар)	22.711
Нормальные условия (некоторые ГОСТы, НИСТ)	20C (293.15K)	101.325кПа (1атм)	24.055

Разные отрасли и организации, могут использовать свои значения температуры и давления для расчетов. Используя калькулятор, мы можете ввести нужные вам значения температуры и давления и получить молярный объем газа.

Обратите внимание, что для больших значений (сотни атмосфер и тысячи градусов) поведение реальных газов отличается от поведения идеальных газов (собственно, поэтому они и не «идеальные») и использовать уравнение, приведенное выше, нельзя.

Источник

Определение молярного объема при химических реакциях

Молярный объем — что это такое в химии

Молярный объем V m — является отношением объема вещества к его количеству, численно равен объему одного моля вещества.

Термин «молярный объем» применим по отношению к простым веществам, химическим соединениям и смесям. Величина зависит от следующих факторов:

• температура;
• давление;
• агрегатное состояние вещества.

Молярный объем можно находить путем деления молярной массы M вещества на его плотность ρ .

Молярный объем вычисляют по формуле:

V m = V / n = M / ρ .

Молярный объем является характеристикой плотности упаковки молекул в рассматриваемом веществе. В случае простых веществ в некоторых ситуациях допустимо использовать понятие атомного объема.

Согласно Международной системе единиц ( С И ) , молярный объем измеряется в кубических метрах на моль (русское обозначение: м 3 / м о л ь ; международное: m 3 / m o l ) .

Исходя из того, что объем газа определяется температурой и давлением, в процессе расчетов принято использовать объемы газов при нормальных условиях (сокращенно — н. у.). За нормальные условия принимают:

• температура 0 °С;
• давление 101,325 кПа (1 атм.).

Известно, что при нормальных условиях отношение объема любой порции газа к химическому количеству газа есть величина постоянная и равная 22 , 4 д м 3 / м о л ь .

Молярный объем какого-либо газа при нормальных условиях:

Таким образом, молярный объем при н. у. равен 22 , 4 д м 3 и представляет собой объем, который занимает 1 моль какого-либо газа при нормальных условиях.

Молярный объем смеси

В том случае, когда рассматривается смесь веществ, в процессе вычисления молярного объема за количество вещества принимают сумму количеств всех веществ, входящих в состав смеси. Когда величина плотности смеси ρ c , мольные доли компонентов x i и их молярные массы M i известны, молярный объем смеси допустимо рассчитывать в виде отношения средней молярной массы смеси (суммы молярных масс ее компонентов, умноженных на их мольные доли) к плотности смеси.

Молярный объем смеси:

V m = V ∑ n i = M ¯ ρ c = ∑ i = 1 N x i M i ρ c . V m = V ∑ n i = M ¯ ρ c = ∑ i = 1 N x i M i ρ c .

Молярный объем газов

Закон Авогадро: одинаковые количества газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объем.

Молярный объем идеального газа вычисляют с помощью формулы, которая является выводом из уравнения состояния идеального газа.

Молярный объем идеального газа:

V m = R T P V m = R T P ,

где T — является термодинамической температурой;

R — универсальная газовая постоянная.

R = 8,314 Д ж / ( К · м о л ь ) = 0,08205 л · а т м / ( К · м о л ь ) .

При нормальных условиях ( T = 273 , 15 K , P = 101 325 П а ) молярный объем газов V m = 22 , 41396954 … л / м о л ь . Молярные объемы в случае реальных газов, так или иначе, не совпадают с молярным объемом идеального газа. С другой стороны, нередко в процессе решения практических задач по химии отклонениями от идеальности допустимо пренебрегать.

Молярный объем кристаллов

Объем V я элементарной ячейки кристалла вычисляют с помощью характеристик кристаллической структуры, которые определяют на основании результатов рентгеноструктурного анализа.

Зависимость между объемом ячейки и молярным объемом:

V m = V я N A / Z

где Z — определяет, сколько формульных единиц в элементарной ячейке.

Значения молярного объема химических элементов

Уточнить величину молярного (атомного) объема, характерного для простых веществ, в с м 3 / м о л ь ( 10 − 6 м 3 / м о л ь , 10 − 3 л / м о л ь ) при нормальных условиях (для газообразных простых веществ), либо при температуре конденсации и нормальном давлении, можно в таблице:

Вычисление химического количества газа по его объему

Объем газа можно рассчитать по его химическому количеству. В этом случае необходимо преобразовать формулу молярного объема путем выражения из нее V :

Таким образом, объем газа равен произведению его химического количества на молярный объем. Продемонстрировать данное утверждение можно на примере. Допустим, что необходимо определить объем (н. у.) метана с химическим количеством 1,5 моль. Используя уравнение, записанное ранее, проведем вычисления:

При известном объеме газообразного вещества можно определить химическое количество рассматриваемого газа. В этом случае следует выразить из уравнения молярного объема n:

Таким образом, химическое количество газообразного вещества допустимо рассчитывать, как отношение его объема к молярному объему. Данное утверждение можно применить на практическом примере. Предположим, что необходимо вычислить химическое количество водорода, соответствующее при н. у. его объему 11,2 д м 3 . Выполним расчеты:

Определение объема веществ при химических реакциях

Перед тем, как приступить к расчетам объема веществ, следует ввести понятие плотности. Данный показатель определяется отношением массы вещества к его объему. Плотность измеряют в к г / м 3 (или г/л, г/мл). В случае газообразных веществ плотность принимает очень маленькие значения. Упростить расчеты химических реакций можно, если рассматривать отношение плотностей газов.

Относительной плотностью газа В по газу А называют величину, равную отношению плотностей рассматриваемых веществ или отношению молярных масс этих газов.

Данный параметр обозначают D A ( B ) и определяют по формуле:

В связи с тем, что в расчете относительной плотности используют величины одинаковой размерности, данный параметр является безразмерной величиной. Определить относительную плотность газообразных веществ по некому газу можно с помощью отношения молярных масс этих газов. Например, относительная плотность кислорода по водороду составляет:

Согласно закону Авогадро, в равных объемах различных газов, которые существуют при одинаковых температурах и давлениях, содержится одно и то же количество молекул. Данная гипотеза была представлена в 1811 году в Турине профессором физики Амедео Авогадро.

Подтверждение теория нашла во множестве экспериментальных опытах. Закон получил название закона Авогадро и стал в дальнейшем количественной основой современной химии. Закон Авогадро в точности реализуем в случае идеального газа. С увеличением разреженности газообразного вещества повышается точность расчетов по этому закону применительно к данному реальному газу.

Первое следствие из закона Авогадро: один моль (одинаковое количество молей) любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объем.

Исходя из закона Авогадро, одинаковое число молекул какого-либо газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. Наряду с тем, 1 моль какого-то вещества включает в себя (согласно определению) одинаковое количество частиц (к примеру, молекул). Таким образом, при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем.

Если условия соответствуют нормальным, то есть температура равна 0 °C (273,15 К), и давление составляет 101,325 кПа, объем 1 моль газа соответствует 22,413 962(13) л. Данная физическая константа является молярным объемом идеального газа и обозначается Vm.

Вычислить молярный объем при температуре и давлении, отличных от нормальных условий, можно с помощью уравнения Клапейрона:

V m = R T p V m = R T p ,

где R ≈ 8 , 314 Д ж / ( м о л ь · К ) — является универсальной газовой постоянной.

Второе следствие из закона Авогадро: молярная масса первого газа равна произведению молярной массы второго газа на относительную плотность первого газа ко второму.

Благодаря данному положению, наука химия получила активное развитие. Причиной этому является открытие возможности для расчета молекулярной массы веществ, которые обладают способностью к переходу в газообразное или парообразное состояние. В том случае, когда молекулярная масса вещества равна μ , а ρ , является его относительной плотностью в газообразном состоянии по другому газу, отношение μ / ρ , должно быть постоянным для всех веществ, его значение зависит только от вида газа, по которому определяют относительную плотность данного вещества. Из результатов практического опыта можно сделать вывод о том, что для любых известных веществ, которые способны переходить в газообразное состояние без разложения, рассматриваемая постоянная составляет 28,9 а.е.м. (атомных единицы массы), если при определять относительную плотность по воздуху. С другой стороны, данная постоянная будет равна 2 а.е.м. в том случае, когда относительную плотность определяют по водороду.

Как найти объемные отношения газов в смеси

В процессе вычисления объемных отношений газов, участвующих в химических реакциях, используют закон Гей-Люссака (химический закон объемных отношений). В англоязычной литературе данный закон можно встретить под названием закона Шарля.

Закон Гей-Люссака — закон, демонстрирующий пропорциональную зависимость между объемом газообразного вещества и абсолютной температурой при постоянном давлении (то есть в изобарном процессе).

Закон получил название в честь французского физика и химика Жозефа Луи Гей-Люссака.

Математическое выражение закона Гей-Люссака:

T или V / T = c o n s t , P = c o n s t ,

где V — объем газа;

В том случае, когда известно состояние газа при постоянном давлении и двух разных температурах, закон допустимо записывать таким образом:

V 1 : T 1 = V 2 : T 2 и л и V 1 T 2 = V 2 T 1 .

По итогам химических реакций атомы не исчезают и не возникают. В результате таких процессов происходит их перегруппировка. Количество атомов до реакции и после ее протекания не меняется, что отличает их от молекул. Данное условие учитывают, расставляя стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций.

Коэффициенты в уравнениях реакций демонстрируют числа объемов газов, которые реагируют и образовываются. К примеру, 2 объема водорода и 1 объем кислорода дают 2 объема пара воды:

2 H 2 + O 2 = 2 H 2 O

В процессе, записанном в виде уравнения 3 Н 2 + N 2 = 2 N H 3 , объемы азота и водорода, между которыми протекает реакция, и объем образовавшегося аммиака связаны между собой, что можно выразить с помощью следующего соотношения:

V ( Н 2 ) : V ( N 2 ) : V ( N H 3 ) = 3 : 2 : 1

С другой стороны, данные соотношения справедливы лишь в случае веществ, которые участвуют в одной и той же химической реакции. Когда реагент принимает участие в двух параллельных реакциях, его химические количества в данных процессах не связаны и могут принимать любые значения.

Согласно первому следствию из закона Авогадро, при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем. Объем газа количеством 1 моль в нормальных условиях носит название молярного объема и обозначается V m . Таким образом:

где V — объем газа,

n — количество газа.

Выразить молярный объем газов можно в л/моль:

V m = 22 , 4 л / м о л ь .

В данной таблице использованы следующие обозначения:

• V — объем;
• Р — давление;
• Т — температура;
• n — количество вещества;
• m — масса вещества;
• М — молярная масса вещества;
• R — универсальная газовая постоянная.

R = 8 , 314 Д ж / ( К · м о л ь ) = 0 , 08205 л · а т м / ( К · м о л ь ) .

Нормальные условия: 0 ° С и 1 , 013 · 105 П а .

Нормальное давление: 1 , 013 · 105 П а = 1 а т м = 760 м м р т . с т .

Источник

Урок 9. Молярная масса и молярный объем

В уроке 9 «Молярная масса и молярный объем» из курса «Химия для чайников» выясним, что подразумевается под молярной массой и молярным объемом; приведем формулы для их вычисления. Напоминаю, что в прошлом уроке «Химическое количество вещества и моль» мы выяснили, что такое химическое количество вещества; рассмотрели моль в качестве единицы количества вещества, а также познакомились с постоянной Авогадро.

Молярная масса

Вы знаете, что одинаковое химическое количество любых веществ содержит одно и то же число структурных единиц. Но у каждого вещества его структурная единица имеет собственную массу. Поэтому и массы одинаковых химических количеств различных веществ тоже будут различны.

Молярная масса — это масса порции вещества химическим количеством 1 моль.

Молярная масса вещества Х обозначается символом M(Х) . Она равна отношению массы данной порции вещества m(Х) (в г или кг) к его химическому количеству n(Х) (в моль):

В Международной системе единиц молярная масса выражается в кг/моль. В химии чаще используется дольная единица — г/моль.

Определим молярную массу углерода. Масса углерода химическим количеством 1 моль равна 0,012 кг, или 12 г. Отсюда:

Молярная масса любого вещества, если она выражена в г/моль, численно равна его относительной молекулярной (формульной) массе.

На рисунке 47 показаны образцы веществ (H₂O, CaCO₃, Zn), химическое количество которых одно и то же — 1 моль. Как видите, массы разных веществ химическим количеством 1 моль различны.

Молярная масса является важной характеристикой каждого отдельного вещества. Она отражает зависимость между массой и химическим количеством вещества. Зная одну из этих величин, можно определить вторую — массу по химическому количеству:

и, наоборот, химическое количество по массе:

а также число структурных единиц:

Взаимосвязь между этими тремя характеристиками вещества в любом его агрегатном состоянии можно выразить простой схемой:

Молярный объем

В отличие от твердых и жидких веществ все газообразные вещества химическим количеством 1 моль занимают одинаковый объем (при одинаковых условиях). Эта величина называется молярным объемом и обозначается V_m .

Подобно молярной массе, молярный объем газа равен отношению объема данного газообразного вещества V(Х) к его химическому количеству n(Х) :

Так как объем газа зависит от температуры и давления, то при проведении различных расчетов берутся обычно объемы газов при нормальных условиях (сокращенно — н. у.). За нормальные условия принимаются температура 0 °С и давление 101,325 кПа.

Установлено, что при нормальных условиях отношение объема любой порции газа к химическому количеству газа есть величина постоянная и равная 22,4 дм 3 /моль. Другими словами, молярный объем любого газа при нормальных условиях:

Молярный объем — это объем, равный 22,4 дм 3 , который занимает 1 моль любого газа при нормальных условиях.

Пример 1. Вычислите химическое количество SiO₂, масса которого равна 240 г.

Пример 2. Определите массу серной кислоты H₂SO₄, химическое количество которой 2,5 моль.

Пример 3. Сколько молекул CO₂ и сколько атомов кислорода содержится в углекислом газе массой 110 г?

Пример 4. Какой объем занимает кислород химическим количеством 5 моль при нормальных условиях?

Краткие выводы урока:

1. Масса вещества химическим количеством 1 моль называется его молярной массой. Она равна отношению массы данной порции вещества к его химическому количеству.
2. Объем газообразных веществ химическим количеством 1 моль при нормальных условиях одинаков и равен 22,4 дм 3 .
3. Величина, равная 22,4 дм 3 /моль, называется молярным объемом газов.

Надеюсь урок 9 «Молярная масса и молярный объем» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Данный урок был заключительным в главе «Основные химические понятия».

Источник